鋁合金壓鑄模具失效成因與改善措施

廖偉平

廣東鴻圖武漢壓鑄有限公司，湖北武漢，430200

0 引言

鋁合金壓鑄模具是一種先進的特殊鑄造工藝，它的材料利用率已經達到1級以上，可以加工具有復雜形狀和低粗糙度的高精度金屬制品。鋁合金壓鑄模具具有高速、高壓、高溫等特點。所以，分析和研究壓鑄過程中出現的各種失效及其成因尤為重要。根據國內外有關資料研究顯示，在不同的材料中，材料的失效比例包括：熱疲勞開裂的類型為60%～70%，塑性變形為15%～20%，崩塊和斷裂為15%～25%，熔損和沖蝕為5%～10%，另外還有模具脫模困難、鑄造質量差等其他失效形式。與國外同類產品比較，我國鋁合金模具的使用壽命僅為世界領先水平的50%[1]。為此，我們應積極開發新的材料，大力研發新的工藝，追趕世界先進水平。下面對鋁合金壓鑄模具失效的表現及具體原因進行了探討，并根據實際情況，提出了一些改進措施，主要圍繞生產材質、結構設計、工藝水平以及強化處理等方面具體展開。

1 模具的劃分及發展前景

模具是一種特殊的加工設備，是現代工業的基礎加工設備。利用外力把毛坯制成具有特定尺寸和外形的模具，不同的模具是由不同的部件組成的。進入新世紀以后，我國模具行業的年均增速已達15%以上，特別是最近5年，已經達到了20%以上。根據被加工的毛坯類型，可分為金屬、非金屬和其他特種模具。根據工藝，金屬模具分為：沖模、壓鑄模、鍛模、擠壓模。通常，金屬模具是由金屬材料制成的。在一些特定的條件下，需要用其他的材料，例如橡膠，或者用特別的工藝。根據加工技術的不同，非金屬模可分為塑料模、玻璃模、陶瓷模、粉末冶金模等。隨著技術水平的提高，壓鑄技術在各行各業中得到了廣泛的應用，而壓鑄模的作用也日益凸顯。

壓鑄工藝是將金屬加熱至熔化，在高壓下高速注入模腔，通過型芯、型腔合模，迅速冷卻、固化而得到鑄件。用于鑄造的模具，叫作鑄造模。壓鑄材料以鋁、鋅、銅等有色金屬為主，并可作鋼材。

模具的定模一般是固定在壓鑄機的定模固定板上，用直接流道與噴嘴或壓力腔相連，動模一般固定在動模的固定板上，用動模的固定板作為開、關模，關閉時形成模腔和澆鑄系統，在高溫、高壓的條件下對模腔進行充填。在開模過程中，動模與定模分離，用推壓裝置把模推出來。有色金屬由于其高的塑性、高的流動性，在高溫、高壓的作用下，可以形成多種復雜的形態，有許多臺、筋等復雜的結構，具有較高的尺寸精度和平滑的表面。金屬在熔融狀態下成形，因此壓鑄模型芯、型腔需要采用耐高溫的材料制造[2]。

我國的壓鑄模歷來具有較大的市場和較低的勞動力成本優勢。國內的壓鑄模具結構設計、材料性能及使用效果的要求越來越高。模具的使用效能是一個很大的指標，不但會影響到產品的質量，也會影響到生產的成本和效率。伴隨著模具行業的快速發展，高質量、高效率、高性能模具的應用越來越受到人們的重視。提高模具的工作效率，是延緩模具失效、找出故障的根源和解決方法，是提高模具使用效能的一個重要目標。現就鋁合金壓鑄模具的失效進問題進行詳細的分析，并對其原因進行了探討，并給出了相應的改進措施，以促進我國鋁合金壓鑄模具的實用功能提升，提高鋁合金壓鑄模具使用率。

2 鋁合金壓鑄模具的失效成因

認識到模具有壓鑄模具、沖壓模具、擠出模具、鍛模、鍛造模具等不同類型，下面以鋁合金壓鑄模具為研究對象，研究合金壓鑄模具的失效成因，主要圍繞壓鑄模具的失效類型以及合金壓鑄模型失效的具體表現兩部分展開。

2.1 壓鑄模具的失效類型

2.1.1 熱疲勞龜裂損壞

在壓鑄模具工作中，模具型芯、型腔反復受到突冷和突熱的影響，型芯和型腔表面會因為熱疲勞而發生變形，并會產生反復的熱應力，使模具的內部結構發生破壞，韌性下降，脆性增加。引起微裂紋的出現，并不斷擴展，隨著裂縫的蔓延，大量的金屬液體涌入裂縫，再加上機械的壓力，裂縫的蔓延速度越來越快，壓鑄模具損毀嚴重。

2.1.2 碎裂

當壓鑄模將熔化的合金壓入型腔時，會有壓力作用在型芯、型腔最脆弱的地方而產生微小的裂紋，對成形表面有刮痕、電加工痕跡的未處理部分尤其敏感，型芯和型腔的清根部位都會有細小裂紋出現，微細裂紋繼續增多時會造成模具關鍵部件破裂。

2.1.3 溶蝕

壓鑄模具型芯、型腔常用的材料為熱型模具鋼，其中鋅、鋁、鎂等為活性金屬，對模具材料具有良好的親和性，鋁具有更好的親和性。模具型芯和型腔材料的硬度越高，對有色金屬的耐蝕性能越好，而在成形的金屬上如果存在軟點，抗腐蝕性能就會降低。而且不同的材料，其熔點也不一樣，經常會出現互相溶蝕的現象。根據實際情況和觀察，壓鑄模具的破壞形式主要有斷裂、彎曲、型腔塑性變形等。

2.2 鋁合金壓鑄模具失效的具體表現

2.2.1 鋁合金壓鑄模具介紹

由于模具結構比較復雜，加上熱疲勞的影響因素很多，所以在選用模具的加工材料時候一定要慎重。壓鑄模是一種用于高壓成形的金屬制品，它的工作時間長，工作溫度高，交變應力大。除了自身具備的特性外，它還要求模具鋼具應具備優良的耐熱性、耐寒性及耐熱疲勞特性。鋁合金模具采用3Cr2W8V工具鋼，其強度、硬度、耐冷熱疲勞性能良好，經熱處理后硬度可達50HRC。不過，這種材料的柔韌度和可塑性都不高。工作溫度為620～690℃，鋁合金液壓腔的流速為42～180m/s，空腔壓力15～100MPa，保持5～20s，每次壓射間隔20～80s。在壓鑄模工作過程中，由于鋁合金高溫高速液不斷地撞擊、摩擦，從而使模具表面產生較大的應力。為避免在模塑表面上附著鋁合金液體，經常在模塑表面涂覆防粘劑，造成成型面溫度劇烈波動。每一次脫模后，需要對模芯進行冷卻，以保證模具的成型面在急熱和急冷的循環熱應力[3]。

2.2.2 鋁合金壓鑄模具的失效形式及分析

鋁合金壓鑄模具使用壽命約為3萬件，其失效方式以熱疲勞裂紋為主。3Cr2W8V鋼的工作硬度在42～48HRC時表現出良好的工作性能，但超過50HRC后，裂紋會繼續擴大，最終導致模具核心斷裂。對鋁合金壓鑄模具進行觀察，結果表明，模具的芯部存在著較多的熱疲勞裂紋。由此可以看出，在受熱狀態下，模芯因其結構復雜、體積大，其表面與芯部的溫度相差很大，從而影響到芯體的自由收縮。而在其中間位置，由于溫度高于合金的溫度，會產生塑性變形。模具打開后，對模具進行噴水降溫。模具不斷地經受著加熱——冷卻——再次加熱的溫度變化。在這個周期內，由于塑性變形引起的疲勞開裂，導致了材料開裂。

2.2.3 鋁合金壓鑄模具失效的具體原因

通過以上探究，我們可以看出，鋁合金鑄造模具的斷裂有多種類型，主要有開裂、開裂、劈裂、磨損、沖刷等。造成這種現象的原因有：

（1）模具材料本身的缺點。鋁合金壓鑄模的材質好壞對模具的壽命有很大的影響，其中夾雜是造成模具開裂的主要原因，夾雜顆粒越多，模具的疲勞強度就越低。在壓鑄過程中，由于模具在冷急熱交替的條件下，容易產生裂紋和斷裂。因此，在選擇模具的材質時，應充分考慮其冷熱穩定性、抗冷熱疲勞、韌性等因素。

（2）結構設計不合理。鑄件的結構設計不當將對壓鑄模的壽命產生直接的影響。如：①鑄造坡度不合理的設計會導致抽芯，模具打開后進行取料時易產生劃痕；②鑄造工藝的不合理不僅會使鑄件的壁厚分布不均，而且還會使模具內的橫斷面變薄，從而使模具出現早期開裂。

（3）殘余應力作用。在模具工作環境比較苛刻的情況下，在鑄造過程中，由于金屬液體在模腔中的流動，模具內部的空間有限，在模腔的凹角上會產生張力。隨著模具溫度不斷上升，模具內的熱脹冷縮現象越來越明顯。在鑄件脫模后，對模具進行冷卻，使其產生切向拉伸。模具受到內外各方面的壓力作用，日積月累，使模具產生了裂縫，并且逐漸加深[4]。

（4）操作不規范。在實際生產中，操作不當也會對壓鑄模的壽命造成很大的影響。比如：①未預熱或預熱溫度太高；太高的預熱溫度會影響鑄件材料的屈服強度，從而降低鑄件的耐熱疲勞性能；②模具涂料噴漆不均勻；③不能經常維護模具；④不規范的裝配工藝。

3 鋁合金壓鑄模具失效的改善措施

結合鋁合金壓鑄模型失效原因，提出具體的改善建議。

3.1 使用H13鋼替代原有材質

采用H13鋼代替3Cr2W8V鋼制作鋁合金壓鑄模具。3Cr2W8V鋼的優勢很多，但也有一個很大的缺陷，那就是它含有大量的碳化物，高溫高壓條件下，韌性、塑性、熱導率、耐冷熱疲勞、耐腐蝕性能差。將3Cr2W8V鋼換成H13鋼，其碳、釩含量高，耐磨性能好，耐熱性能好。與3Cr2W8V鋼相比，中溫條件下，H13鋼的強度、硬度、耐磨性和韌性均優于3Cr2W8V鋼。盡管回火抗性和熱穩定性比3Cr2W8V鋼要差一些，但其冷熱疲勞性能明顯優于3Cr2W8V鋼，使用壽命可延長2到10倍。

3.2 優化壓鑄模具的結構設計

通過優化鋁合金壓鑄模的結構設計，可以有效延長其使用壽命。在進行結構設計時，可以采用下列特定的步驟：

①采用計算機輔助設計技術，對鑄型中的溢流槽和內澆口進行優化，以降低澆鑄過程中的沖蝕作用，從而延長模具的使用壽命。②為保證鑄件表面質量，適當增加內澆口截面，從而使鑄件的流動速度得到改善。③在結構上，要使模具的局部溫度升高，減少壓鑄變形，可以采用一體化溢流槽結構，從而確保產品質量。④在澆鑄模工作面上使用臺階狀的模具型芯，降低澆注模具上鋁液的附著力。⑤在鑄造結構中使用雙芯的壓鑄模具，減少鋁液對長型芯體的沖擊和影響，并在脫模時不會損壞內部孔洞，避免變形。⑥在模具容易產生裂縫的部位，可以采用嵌件結構，這樣當裂紋發生時，可以及時更換。此外，模具結構設計必須考慮模具的精確性。在生產中，必須采取閉環控制，確保及時消除組裝尺寸鏈的累計錯誤[5]。

3.3 提升模具加工的工藝水平

對鋁合金壓鑄模進行工藝優化，可有效延長其使用壽命。該流程主要由四部分組成：①由于磨削過程中經常會產生大量的熱量，導致模腔表面出現裂紋。根據上述分析，為使模具失效最小化，最大限度地提高模具的使用壽命。在研磨過程中，應該選擇具有充分冷卻和自銳性的砂輪。②采用H13鋼的硬態銑削措施，盡量達到與磨削工藝相近的表面粗糙程度，尋找其他方法來代替磨削加工，以盡量降低生產成本。③對經過電加工的模具進行噴丸處理，該方法能降低或消除殘余壓應力，降低模具的熱疲勞開裂，提高模具的使用壽命。④切割過程中產生的大量脈沖能，使模具工作表面出現了裂縫。為防止因此原因導致模具的斷裂，采用中脈寬、大電流峰值電流的加工工藝切割H13鋼，然后對其進行精整處理，以減小脈沖功率[6]。

3.4 加強壓鑄模具的表面處理

表面強化可明顯改善鑄件的耐磨性和強度，從而延長熱裂紋的潛伏時間，避免熱裂紋的蔓延，達到延長模具壽命的目的。通過表面滲氮、滲碳等工藝，能有效降低鑄件的磨損，提高耐熱性。近幾年，為了延長模具的使用壽命，采用了熱噴涂、物理化學沉積法、PVD法和離子輔助噴涂技術。但是，僅靠一層涂料難以阻礙各種失效形式。因此，當前眾多科研工作人員投身復合涂層系統的設計研究。現在仍然有許多強化壓鑄模具表面的處理方式，我們在進行實際生產的過程中，可以根據具體的條件，選用最經濟、有效的工藝方法。

3.5 采用合理規范的熱處理工藝

合理、規范的熱處理工藝能有效延長模具的使用壽命。在采用壓鑄模前，先進行去應力，進行一次退火，然后進行淬火，這樣才能防止由于淬火引起的變形和裂紋。根據這一結果，模具的去應力回火溫度應比原回火溫度降低30～50℃，模具在5000～10000模次時進行一次應力回火，此后每一次回火間隔為15000～20000模次。在處理壓鑄模具的核心時，熱油先與型芯表面接觸，這樣可以改善模芯的強度和硬度。在熱油中多次翻動壓鑄模，可以提高和達到流傳熱效果。采用氮化法和碳氮法對模具進行表面處理，可以防止模具的侵蝕。

4 結論

隨著“十四五”規劃和2035年國家發展戰略綱要的發布，我國的社會、經濟將進入一個新的發展階段，社會的不斷發展也將帶動模具不斷進行革新。與此同時，大數據、互聯網、云計算等技術的不斷融合，以及智能化制造、3.0產業的持續變革，使得模具技術向全球化、自動化、智能化、綠色制造方向發展，對模具的材質、使用壽命提出了更高的要求。所以，我們要加速發展模具的原材料，優化模具結構，提高加工技術，有針對性地進行維修和防范，以提高模具的質量和使用壽命。壓鑄技術是一種高效的非切削成形技術，其在國內已得到了廣泛的應用。對鋁合金壓鑄模的失效原因及改進方法進行了深入的探討，對于今后我國壓鑄工業的發展有著重要的指導作用。